多模区域差分增强系统相关技术研究

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随着现代卫星导航定位系统的飞速发展,各国都开展了相应的差分增强系统的研究,而当前国内外对多模区域差分增强系统(MLDAS)的系统性研究目前还是空白,本文以MLDAS为中心开展了相关技术的研究,主要研究内容包括:MLDAS的设计和多模GNSS组合的性能分析、周跳探测与修复技术、差分改正数算法和载波相位平滑伪距技术、MLDAS系统的完好性监测和接收机自主完好性监测技术。论文的主要工作成果总结如下:1.设计了MLDAS的总体结构,针对参考站子系统、数据链率子系统、用户子系统的任务、处理流程以及各自要实现的功能进行了详细设计。并对数据链子系统的差分格式及纠错编码技术进行了研究。2.对多GNSS系统组合应用的特性进行了深入分析,比较了各GNSS系统的异同点,对时间基准和空间参考坐标的转换、频谱间的干扰等进行了研究,以GPS和GALILEO组合系统为例,分析比较了多模系统与各单一系统在可见卫星数、定位精度衰减因子、最小可探测偏差等方面的性能,通过对比可知,多模系统性能比单系统的性能有显著提高。3.对周跳探测与修复的常用方法:高次差法、多项式拟合法、多普勒法、电离层残差法、伪距相位组合法进行了研究,探讨了影响各方法探测修复精度的因素、使用条件、对数据的要求和探测能力。重点推导了基于三频线性组合的周跳探测方法,利用三频伪距相位组合进行周跳探测需全面考虑伪距噪声、电离层和噪声放大系数,以周跳实数解的方差最小作为选取三频线性组合的原则。最后用此原则选取的线性组合进行了周跳探测实验,结果显示此组合可探测几乎所有周跳。4.提出了一种可应用于电磁暴条件下的电离层TEC变化率周跳探测修复方法。首先推导了电离层TEC变化率法的计算公式,并通过实验分析可知,电离层TEC变化率法可应用于电磁暴条件下的1s采样间隔数据中的周跳探测与修复。而针对此方法对某些周跳组合不敏感的问题,提出了可结合MW方法来进行周跳探测,实验结果显示,对于1s采样间隔的数据而言,电离层TEC变化率法与MW组合联合使用,对那些利用各自方法无法探测的周跳具有很高的成功率。5.推导了区域差分增强系统的的改正数算法:一般加权平均法、线性内插法、低次曲面模型法和三角形内插法,对比了各算法异同点,模拟建立了一个参考站网络,将用户分参考站网络内、外两种情况,分别计算了各算法的系数,从内插质量因子角度分析了各个算法的特点和性能。6.深入研究了MLDAS系统中实时载波平滑伪距差分的Hatch滤波技术,推导分析了Hatch滤波后的误差与平滑时间、伪距测量噪声、电离层延迟变化的关系公式,从公式可知平滑时间越长,噪声误差影响越小,但是由电离层延迟变化引起的误差却会增大。而忽略电离层延迟变化影响的经典Hatch滤波在平滑时间设定不合理时,其平滑结果会出现发散。7.针对经典Hatch滤波存在的发散问题,综合考虑电离层延迟变化和伪距噪声的影响,提出了一种顾及电离层延迟变化的改进Hatch滤波算法。新算法利用经验公式求解噪声,而用Klobuchar模型估计电离层延迟变化率,再用卡尔丹方程求解最优平滑时间。改进算法对每颗卫星的每一历元都依据噪声和电离层的变化情况解算最优平滑时间,从而提高平滑效果。经过仿真和实测数据验证,改进Hatch滤波比经典Hatch滤波的解算结果有更高的定位精度和更好的稳健性。8.设计了包括信号质量监测、数据质量监测、观测质量监测、多参考站一致性监测、均值-标准差监测、信号域监测等功能的MLDAS的完好性监测体系,各个监测模块发现异常时发出告警,系统通过一系列逻辑来对这些告警进行处理,从而隔离发生故障的卫星接收机通道,保障系统的完好性。9.提出了一种应用于均值-标准差监测的改进累积和算法。针对在均值-标准差监测中常使用的累积和算法对较大的突发性大值偏差较难监测的缺点,将其它领域中广泛使用的、对突发大值偏差具有很好检测性能的通用控制图引入到经典累积和算法中,从而弥补了经典累积和算法的不足,在对相关参数进行合理设置的条件下,改进算法既能有效监测小的累积性误差又能一步检测大值偏差。而经过实验证明,改进算法对基于B值的均值和标准差监测中的无故障、中小的累积偏差、突发型大值偏差等三种情况均具有良好的性能。10.研究了最小二乘残差法、奇偶空间矢量法等接收机自主完好性监测(RAIM)常用算法,利用最小二乘残差法基于实测数据进行了单故障探测隔离实验,实验结果显示,最小二乘残差法具有较好的单故障检测隔离能力。针对最小二乘残差法较难准确探测多故障的缺点,提出了一种改进的基于最小二乘残差的多故障探测方法。实验结果证明,改进算法具有较好的检测多故障的能力。
摘要第9-11页
Abstract第11-13页
第一章 绪论第14-19页
    1.1 研究背景第14-15页
    1.2 国内外研究现状第15-17页
    1.3 论文的主要内容第17-19页
第二章 GNSS概述及差分增强系统原理第19-37页
    2.1 GNSS 系统概述及误差源第19-29页
        2.1.1 GNSS 的组成第19-20页
        2.1.2 常用的 GNSS 系统概述第20-21页
        2.1.3 GNSS 观测量第21-24页
            2.1.3.1 码伪距观测量第21-22页
            2.1.3.2 载波相位观测量第22页
            2.1.3.3 观测量的线性组合第22-24页
        2.1.4 GNSS 测量的主要误差源第24-29页
            2.1.4.1 卫星星历误差第24-25页
            2.1.4.2 电离层延迟误差第25-27页
            2.1.4.3 对流层延迟误差第27-28页
            2.1.4.4 多路径误差第28-29页
    2.2 区域差分增强系统原理第29-36页
        2.2.1 区域差分的基本思想第29页
        2.2.2 实时伪距差分第29-34页
            2.2.2.1 伪距差分第29-30页
            2.2.2.2 载波相位平滑伪距差分第30-34页
        2.2.3 实时载波相位差分第34页
        2.2.4 区域差分增强系统的数据流程第34-36页
            2.2.4.1 基本组成第34-35页
            2.2.4.2 处理基本流程第35-36页
    2.3 小结第36-37页
第三章 多模区域差分增强系统(MLDAS)设计及多模性能分析第37-56页
    3.1 前言第37-38页
    3.2 MLDAS 总体设计第38-44页
        3.2.1 系统构成第38-39页
        3.2.2 各子系统任务及具体功能设计第39-41页
            3.2.2.1 参考站子系统第39-40页
            3.2.2.2 数据链子系统第40页
            3.2.2.3 用户子系统第40-41页
        3.2.3 数据链路的差分格式及编码第41-44页
            3.2.3.1 差分格式第41-43页
            3.2.3.2 RTCM 编码应用第43-44页
    3.3 多 GNSS 系统共用特性分析第44-55页
        3.3.1 GNSS 系统间的异同及处理方法研究第44-46页
            3.3.1.1 系统的相同点第44-45页
            3.3.1.2 系统之间的不同点第45-46页
        3.3.2 GNSS 系统之间时空坐标系的转换第46-47页
            3.3.2.1 空间坐标系的转换第46-47页
            3.3.2.2 时间基准的转换第47页
        3.3.3 GNSS 系统频谱的干扰性分析第47-49页
        3.3.4 多模 GNSS 系统性能分析第49-55页
            3.3.4.1 可见卫星数分析第49-50页
            3.3.4.2 DOP 值分析第50-53页
            3.3.4.3 MDB 值分析第53-55页
    3.4 小结第55-56页
第四章 周跳的探测与修复第56-82页
    4.1 周跳的定义和检验量的构造第56-57页
        4.1.1 周跳的定义第56页
        4.1.2 周跳产生原因与检验量第56-57页
    4.2 常用的周跳探测修复方法第57-75页
        4.2.1 高次差法第57-59页
        4.2.2 多项式拟合法第59-61页
        4.2.3 多普勒法第61-62页
        4.2.4 电离层残差法第62-66页
        4.2.5 伪距相位组合法第66页
        4.2.6 多频数据探测周跳第66-75页
            4.2.6.1 三频组合观测值的原理第67-69页
            4.2.6.2 组合观测值误差分析第69-70页
            4.2.6.3 组合观测值的选取标准第70-71页
            4.2.6.4 适合探测周跳的组合观测值选择第71-72页
            4.2.6.5 利用三频组合进行周跳的探测和修复第72-75页
    4.3 一种基于电离层 TEC 变化率的周跳探测与修复方法第75-80页
    4.4 小结第80-82页
第五章 差分改正算法及载波相位平滑伪距技术研究第82-113页
    5.1 引言第82页
    5.2 伪距差分改正算法第82-89页
        5.2.1 一般加权平均方法第83页
        5.2.2 线性内插方法第83-84页
        5.2.3 低次曲面模型法第84-85页
        5.2.4 三角形内插法第85-86页
        5.2.5 几种算法的比较第86-89页
    5.3 伪距差分中的载波平滑伪距第89-111页
        5.3.1 载波平滑伪距差分原理第89页
        5.3.2 载波平滑伪距中的 Hatch 滤波技术第89-94页
            5.3.2.1 经典 Hatch 滤波第89-90页
            5.3.2.2 Hatch 滤波中的误差分析第90-93页
            5.3.2.3 算例第93-94页
        5.3.3 顾及观测噪声和电离层影响的最优 Hatch 滤波技术第94-111页
            5.3.3.1 最优平滑时间求解第94-95页
            5.3.3.2 最优 Hatch 滤波中的测量噪声和电离层延迟误差第95-100页
            5.3.3.3 最优 Hatch 滤波器的设计第100-103页
            5.3.3.4 算例分析第103-111页
    5.4 小结第111-113页
第六章 MLDAS完好性理论与方法研究第113-160页
    6.1 引言第113页
    6.2 区域差分增强系统参考站完好性内容及设计第113-140页
        6.2.1 地面站相关处理算法第113-120页
            6.2.1.1 差分改正数及误差生成第113-115页
            6.2.1.2 用户保护水平的计算第115-117页
            6.2.1.3 改正数误差在不同分布下的膨胀系数确定第117-120页
        6.2.2 区域差分地面站完好性监测设计第120-127页
            6.2.2.1 地面完好性监测设内容第120-121页
            6.2.2.2 逻辑处理执行 I 内容及过程第121-124页
            6.2.2.3 逻辑处理执行 II 内容及过程第124-127页
        6.2.3 基于累积和(CUSUM)的均值-标准差监测算法研究第127-140页
            6.2.3.1 常用的统计控制图算法第127-131页
            6.2.3.2 一种改进的累积和控制图算法第131-135页
            6.2.3.3 改进累积和算法应用于均值-标准差监测第135-140页
    6.3 MLDAS 接收机自主完好性监测算法研究第140-159页
        6.3.1 基于最小二乘残差的 RAIM 算法第141-144页
            6.3.1.1 基本模型第141-142页
            6.3.1.2 基于残差平方和的故障检测第142页
            6.3.1.3 故障检测的完善性保证第142-143页
            6.3.1.4 基于残差元素的故障识别第143-144页
            6.3.1.5 故障识别的完善性保证第144页
        6.3.2 基于奇偶空间矢量的 RAIM 算法第144-147页
            6.3.2.1 奇偶空间矢量的构成第144-145页
            6.3.2.2 基于奇偶矢量的故障检测和识别第145-147页
            6.3.2.3 基于奇偶矢量的完善性保证第147页
        6.3.3 仿真算例第147-150页
        6.3.4 一种改进的基于最小二乘残差的故障探测方法第150-159页
            6.3.4.1 数学模型第150-151页
            6.3.4.2 残差和异常值的特性第151-152页
            6.3.4.3 异常值探测算法第152-155页
            6.3.4.4 算例第155-159页
    6.4 小结第159-160页
第七章 结论与展望第160-162页
参考文献第162-169页
作者简历 攻读博士学位期间完成的主要工作第169-170页
致谢第170页
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